工业冷却塔用混流式水轮机技术作为国家发展和改革委员会编制的《国家重点节能技术推广目录 (第三批) 》30项高效节能技术之一, 在涉及煤炭、电力、钢铁、有色金属、石油石化、化工、建材、机械、纺织、建筑、交通等11个行业中有着较大的使用前景。
本文以华美热电公司机力通风冷却塔风机作为改造对象, 以合肥菱电冷却设备有限公司反击混流式水轮机作为拟使用设备, 通过运行参数实际测量和理论计算, 对冷却塔风机采用水轮机替代传统电机驱动进行节能改造的可行性进行初步分析。
华美热电总装机2×55 MW, 设计供热能力300 t/h, 循环水采用6台NH-4000型机力通风塔进行强制通风换热, 填料层厚度3×50 cm;冷却风机转速85/127 rpm, 配套双速电机额定功率72/185 kW、额定电压380 V;循环水泵 (4台) 转速740 rpm、扬程17.5 m、流量5950~8950 m3/h, 配套电机额定功率450 kW、额定电压6000 V, 其中两台可以变电极高低速运行。
冷却塔节能改造的核心是利用高效混流式水轮机取代电机作为风机驱动源, 循环水泵提供的水流经过水轮机将其冲转, 水轮机输出轴直接连接风机带动其旋转, 在不增加水泵功率的情况下, 保持循环水正常冷却换热, 同时保证风机转速随着系统冷却需要而变化, 使气水比维持在最佳状态, 满足生产工艺的需求。
在循环水系统设计时, 考虑到换热设备和系统管道阻损等因素影响, 一般预留一定的设计余量, 在水泵选型计算时还要在此基础上再乘以一定系数, 而在具体选型时往往很难选到参数完全一致的定型水泵, 根据就高不就低原则, 一般选择流量稍大的水泵, 因此在循环水系统中存在着一些富余流量。
在循环水系统中, 管道、阀门、换热设备等因素会对水流产生一定的阻力, 这些阻力很难完全精确的计算出来, 所以正常计算的阻力值只是一个相对准确的数据, 且设备实际运行值仍可能与理论计算值存在一定的偏差, 为了确保满足生产需求, 在实际选择水泵扬程时一般会在理论计算值的基础上增加10%~20%的余量, 同时也会根据就高不就低原则来选型, 因此在循环水系统中存在着一些富余扬程。
水轮机的工作动力, 就是充分利用系统中存在的富余流量和富余扬程。
反击混流式水轮机效率较高 (η=85%) , 在富余扬程不足或循环水系统工况变化时, 能够在0~25%的流量范围内调整导叶角度, 从而调节流量和扬程的配比对水流的能量综合利用, 在不同工况下输出符合要求的轴功率, 使风机达到合适转速。
水轮机驱动节能改造的关键是改造后水轮机实际输出的轴功率要大于改造前风机轴功率 (即:P输出>P风机) 。
目前风机运行时电机实际电流为243A, 受电机、传动轴、减速机等机械效率影响, 风机实际轴功率约为:
说明:减速机效率为0.91, 电机效率为0.94, 传动轴效率为0.98。
系统每个阀门的开度对应不同的流量, 目前上塔阀门完全打开。当上塔阀门有不同程度的关闭时阀门消耗的压头可以用下列公式计算。
(其中:H为系统中阀门所消耗的扬程;ε为阻力系数;V为循环水系统中水的流速;g为重力加速度;Q为系统实际流量;S为管道横截面积)
阀门不同开度时局部阻力系数如表1。
说明: (1) 局部管道阻力指流体在流通过程中受到局部阻力时的能量损失。
(2) 此数据摘自《水工业工程设计手册——水力计算表》。
(3) 单台冷却塔流量按照目前实际流量3000m3/h计算。
(1) 假设将上塔阀门开度调整为35°, 则:V=Q/S=1.31 m/s
(2) 假设将上塔阀门调整为30°, 则:V=Q/S=1.31 m/s H=ε·V2/2 g=10.33 m。
(其中:ρ为水的密度;g为重力加速度;H为系统中可用富余压头;Q为系统中体积流量)
(1) 当上塔阀门开度为35°时:P=ρ×g×Q×H÷3600=42.08 kW。
水轮机输出轴功率:P输出=P水轮机×0.85 (水轮机效率) =35.77 kW。
可改造条件判断:P输出/P风机=35.77÷113.96≈0.31。
从计算结果看, 改造P输出/P风机<1, 不满足单台改造的条件。
(2) 当上塔阀门开度为30°时:P=ρ×g×Q×H÷3600=84.45 kW。
水轮机输出轴功率:P输出=P水轮机×0.85 (水轮机效率) =71.78 kW。
可改造条件判断:P输出/P风机=71.78÷113.96≈0.63。
从计算结果看, 改造P输出/P风机<1, 不满足单台改造的条件, 可以采用并水做功, 改造1台冷却塔, 以达到节电的目的。
由以上计算可以得出, 上塔阀门开度在30°~35°之间必定有一个角度 (大约为32°) 满足节能改造所需的压力。
(3) 假设上塔阀门所消耗的压头为8.7m则:P=ρ×g×Q×H÷3600=71.12 kW。
6台上塔阀门所耗的总功率:P水轮机=7 1.1 2 kW×6台=4 2 6.7 2 kW。
即:水轮机利用的富余功率为:P水轮机=42 6.72 kW。
水轮机输出轴功率:P输出=P水轮机×0.85 (水轮机效率) =362.71 kW
可改造判断:P输出/P风机=362.71÷113.96≈3.18
从计算结果看, 改造3台冷却塔能量很充足, 改造后系统应该还有富余能量的存在。
若改造循环水系统6台冷却塔中的2台, 冷却塔单台设计流量为4000 m3/h, 两台电机运行实际总功率为272 kW, 每天工作24小时, 一年工作330天, 则年可节电:272×24×330=2154240 kWH;同时, 按近年两台电机和减速箱进行维修保养和用油情况平均测算, 改造后节省费用约8000元/年。
经技改后, 两台冷却塔年可节约电2154240度, 可节省两台电机和减速箱进行维修保养和用油费用约8000元/年, 如按冷却塔10年寿命计算, 节约的总费用比较可观。
为了系统运行安全, 可以先对每台机组系统中各改造1台冷却塔, 待改造完成系统稳定运行后再进行测量、分析, 通过更精确的科学计算后再进行后续冷却塔的改造。
摘要：为了降低设备电能消耗, 根据华美热电公司机力通风冷却塔风机运行情况, 通过各运行参数的实际测量和理论计算, 对设备驱动采用水轮机取代传统电机, 实现节约电能的可行性进行初步分析。
关键词：冷却塔风机,节能改造,可行性
[1] 国家发展和改革委员会.国家重点节能技术推广目录 (第三批) [M].2010.
[2] 闻邦椿.机械设计手册[M].5版.机械工业出版社.2010.
[3] 聂梅生.水工业工程设计手册[M].中国建筑工业出版社, 2000.
[4] 合肥菱电冷却设备有限公司.水轮机产品说明书[M].2012.
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